Le cellule cerebrali in un piatto imparano a giocare al videogioco Pong in tempo reale 

Guarda le cellule cerebrali in un piatto imparare a giocare a Pong in tempo reale 

I neuroni umani e di topo in un piatto hanno imparato a giocare al videogioco Pong , i ricercatori riferiscono il 12 ottobre sulla rivista Neuron . Gli esperimenti sono la prova che anche le cellule cerebrali in un piatto possono mostrare un’intelligenza intrinseca, modificando il loro comportamento nel tempo.

“Dai vermi alle mosche fino agli esseri umani, i neuroni sono il blocco di partenza per l’intelligenza generalizzata”, afferma il primo autore Brett Kagan ( @ANeuroExplorer ), direttore scientifico dei Cortical Labs a Melbourne, in Australia. “Quindi, la domanda era: possiamo interagire con i neuroni in un modo per sfruttare quell’intelligenza intrinseca?”

Per iniziare, i ricercatori hanno collegato i neuroni a un computer in modo tale che i neuroni ricevessero un feedback sul fatto che la loro racchetta nel gioco stesse colpendo la palla. Hanno monitorato l’attività del neurone e le risposte a questo feedback utilizzando sonde elettriche che registravano “picchi” su una griglia.

Le punte diventavano più forti quanto più un neurone muoveva la sua paletta e colpiva la palla. Quando i neuroni hanno mancato, il loro stile di gioco è stato criticato da un programma software creato da Cortical Labs. Ciò ha dimostrato che i neuroni potrebbero adattare l’attività a un ambiente mutevole, in modo orientato all’obiettivo, in tempo reale.

“Abbiamo scelto Pong per la sua semplicità e familiarità, ma è stato anche uno dei primi giochi utilizzati nell’apprendimento automatico, quindi volevamo riconoscerlo”, afferma Kagan, che ha lavorato al progetto con i collaboratori di altre 10 istituzioni.

“Uno stimolo imprevedibile è stato applicato alle cellule e il sistema nel suo insieme avrebbe riorganizzato la sua attività per giocare meglio e ridurre al minimo la risposta casuale”, afferma. “Puoi anche pensare che il solo gioco, colpire la palla e ottenere una stimolazione prevedibile, crei intrinsecamente ambienti più prevedibili”.

La teoria alla base di questo apprendimento è radicata nel principio dell’energia libera. In poche parole, il cervello si adatta al suo ambiente cambiando la sua visione del mondo o le sue azioni per adattarsi meglio al mondo che lo circonda.

Pong non è stato l’unico gioco testato dal team di ricerca. “Sai quando il browser Google Chrome si arresta in modo anomalo e ottieni quel dinosauro che puoi far saltare oltre gli ostacoli (Progetto Bolan). L’abbiamo fatto e abbiamo visto dei buoni risultati preliminari, ma abbiamo ancora molto lavoro da fare per creare nuovi ambienti per scopi personalizzati”, afferma Kagan.

Le direzioni future di questo lavoro hanno un potenziale nella modellazione delle malattie, nelle scoperte di farmaci e nell’espansione dell’attuale comprensione di come funziona il cervello e di come nasce l’intelligenza.

“Questo è l’inizio di una nuova frontiera nella comprensione dell’intelligenza”, afferma Kagan. “Tocca gli aspetti fondamentali non solo di cosa significa essere umani, ma anche di cosa significa essere vivi e intelligenti, elaborare informazioni ed essere senzienti in un mondo dinamico in continua evoluzione”.

Le cellule cerebrali umane in un piatto imparano a giocare a Pong
I neuroni biologici vivi mostrano di più su come funziona un cervello di quanto non farà mai l’IA

Un team guidato da Melbourne ha dimostrato per la prima volta che 800.000 cellule cerebrali che vivono in un piatto possono svolgere compiti diretti a obiettivi, in questo caso il semplice gioco per computer simile al tennis, Pong. I risultati dello studio sono pubblicati oggi sulla rivista Neuron .

Ora scopriranno cosa succede quando il loro DishBrain è influenzato da medicinali e alcol.

“Abbiamo dimostrato che possiamo interagire con i neuroni biologici viventi in un modo tale da costringerli a modificare la loro attività, portando a qualcosa che assomiglia all’intelligenza”, afferma l’autore principale, il dottor Brett Kagan, che è Chief Scientific Officer della start-up biotecnologica Cortical Labs , dedicato alla costruzione di una nuova generazione di chip per computer biologici. I suoi coautori sono affiliati alla Monash University, alla RMIT University, all’University College London e al Canadian Institute for Advanced Research

“DishBrain offre un approccio più semplice per testare come funziona il cervello e ottenere informazioni su condizioni debilitanti come l’epilessia e la demenza”, afferma il dottor Hon Weng Chong, amministratore delegato di Cortical Labs.

Sebbene da tempo gli scienziati siano in grado di montare neuroni su array multi-elettrodo e leggere la loro attività, questa è la prima volta che le cellule vengono stimolate in modo strutturato e significativo.

“In passato, i modelli del cervello sono stati sviluppati in base a come gli scienziati informatici pensano che il cervello potrebbe funzionare”, afferma Kagan. “Questo di solito si basa sulla nostra attuale comprensione della tecnologia dell’informazione, come l’informatica al silicio.

“Ma in verità non capiamo davvero come funziona il cervello”.

Costruendo in questo modo un modello di cervello vivente a partire da strutture di base, gli scienziati saranno in grado di sperimentare utilizzando la funzione cerebrale reale piuttosto che modelli analoghi difettosi come un computer.

Kagan e il suo team, ad esempio, sperimenteranno successivamente per vedere quale effetto ha l’alcol quando viene introdotto in DishBrain.

“Stiamo cercando di creare una curva dose-risposta con l’etanolo: in pratica farli ‘ubriacare’ e vedere se giocano in modo più scadente, proprio come quando le persone bevono”, afferma Kagan.

Ciò potenzialmente apre la porta a modi completamente nuovi di comprendere ciò che sta accadendo al cervello.

“Questa nuova capacità di insegnare alle colture cellulari a svolgere un compito in cui esibiscono la sensibilità – controllando la paletta per restituire la palla tramite il rilevamento – apre nuove possibilità di scoperta che avranno conseguenze di vasta portata per la tecnologia, la salute e la società”, afferma la dott.ssa Adeel Razi, direttrice del Computational & Systems Neuroscience Laboratory della Monash University.

“Sappiamo che i nostri cervelli hanno il vantaggio evolutivo di essere sintonizzati per centinaia di milioni di anni per la sopravvivenza. Ora, sembra che abbiamo a portata di mano dove possiamo sfruttare questa intelligenza biologica incredibilmente potente ed economica”.

I risultati sollevano anche la possibilità di creare un’alternativa alla sperimentazione animale quando si studia come rispondono nuovi farmaci o terapie geniche in questi ambienti dinamici.

“Abbiamo anche dimostrato che possiamo modificare la stimolazione in base a come le cellule cambiano il loro comportamento e lo fanno a circuito chiuso in tempo reale”, afferma Kagan.

Per eseguire l’esperimento, il team di ricerca ha prelevato cellule di topo da cervelli embrionali e alcune cellule cerebrali umane derivate da cellule staminali e le ha coltivate su array di microelettrodi che potevano sia stimolarli che leggerne l’attività.

Gli elettrodi a sinistra oa destra di un array sono stati attivati ​​​​per dire a Dishbrain da che parte si trovava la palla, mentre la distanza dalla paletta era indicata dalla frequenza dei segnali. Il feedback degli elettrodi ha insegnato a DishBrain come restituire la palla, facendo agire le cellule come se fossero esse stesse la paletta.

“Non siamo mai stati in grado di vedere come si comportano le cellule in un ambiente virtuale”, afferma Kagan. “Siamo riusciti a costruire un ambiente a circuito chiuso in grado di leggere ciò che sta accadendo nelle cellule, stimolarle con informazioni significative e quindi modificare le cellule in modo interattivo in modo che possano effettivamente alterarsi a vicenda”.

“L’aspetto bello e pionieristico di questo lavoro risiede nel fornire ai neuroni le sensazioni – il feedback – e soprattutto la capacità di agire sul loro mondo”, afferma il coautore, il professor Karl Friston, neuroscienziato teorico dell’UCL, Londra.

“Sorprendentemente, le culture hanno imparato a rendere il loro mondo più prevedibile agendo su di esso. Questo è notevole perché non puoi insegnare questo tipo di auto-organizzazione; semplicemente perché, a differenza di un animale domestico, questi mini cervelli non hanno alcun senso di ricompensa e punizione”, dice.

“Il potenziale traslazionale di questo lavoro è davvero entusiasmante: significa che non dobbiamo preoccuparci di creare ‘gemelli digitali’ per testare gli interventi terapeutici. Ora abbiamo, in linea di principio, la “sandbox” biomimetica definitiva in cui testare gli effetti di farmaci e varianti genetiche: una sandbox costituita esattamente dagli stessi elementi informatici (neuronali) che si trovano nel tuo cervello e nel mio”.

La ricerca sostiene anche il “principio dell’energia libera” sviluppato dal professor Friston.

“Abbiamo affrontato una sfida quando stavamo cercando di istruire le cellule a seguire un certo percorso. Non abbiamo accesso diretto ai sistemi della dopamina o qualsiasi altra cosa che potremmo usare per fornire incentivi specifici in tempo reale, quindi abbiamo dovuto andare un livello più in profondità su ciò con cui lavora il professor Friston: entropia dell’informazione: un livello fondamentale di informazione su come il sistema potrebbe auto-organizzarsi per interagire con il suo ambiente a livello fisico.

“Il principio dell’energia libera propone che le cellule a questo livello cerchino di ridurre al minimo l’imprevedibilità nel loro ambiente”.

Kagan afferma che una scoperta interessante è stata che DishBrain non si comportava come i sistemi a base di silicio. “Quando abbiamo presentato informazioni strutturate ai neuroni disincarnati, abbiamo visto che hanno cambiato la loro attività in un modo molto coerente con il loro comportamento reale come un sistema dinamico”, dice.

“Ad esempio, la capacità dei neuroni di cambiare e adattare la loro attività come risultato dell’esperienza aumenta nel tempo, coerentemente con ciò che vediamo con il tasso di apprendimento delle cellule”.

Chong dice di essere stato eccitato dalla scoperta, ma era solo l’inizio.

“Questo è un territorio vergine e nuovo di zecca. E vogliamo che più persone salgano a bordo e collaborino con questo, per utilizzare il sistema che abbiamo costruito per esplorare ulteriormente questa nuova area della scienza”, afferma.

“Come ha detto uno dei nostri collaboratori, non capita tutti i giorni di svegliarsi e di creare un nuovo campo della scienza”.